山西省某地黄土崩塌形成机制及防治参数选取

王玉海

（河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院,河南郑州450001）

1 崩塌变形特征

山西焦煤集团有限责任公司某矿山办公楼东180m，因人工开挖边坡形成两处土质崩塌，编号分别为B1、B2。

B1崩塌：位于某矿山办公楼东180m，坡脚高程为1007.7～1009m，坡向351°，坡宽50m，坡高37m。崩积物体积约5000m3，规模等级为小型。潜在崩塌体主要由第四系中、上更新统粉土、粉质粘土组成，坡脚处堆积有第四系全新统崩坡积粉土。变形迹象为斜坡上部粉土沿粉土、粉质粘土结合面滑移、坠落变形，目前处于欠稳定—不稳定性状态。

B2崩塌：位于屯兰河右岸B1崩塌东侧，坡顶高程1042m，坡脚高程为1007.8m，坡向289°，坡宽40m，坡高35m。崩积物体积约3500m3，规模等级为小型。潜在崩塌体主要由第四系中、上更新统粉土、粉质粘土组成，第四系全新统崩坡积粉土堆积于坡脚处。变形迹象为斜坡上部粉土沿粉土、粉质粘土结合面滑移、坠落变形，受降雨及自重影响下，现场可见悬空的通信线杆，目前处于欠稳定—不稳定性状态。

2 崩塌类型及发育特征

2.1 崩塌类型

B1、B2两处崩塌按照所涉及的岩性属土质崩塌；崩塌体运动模式是沿粉土与粉质粘土结合面剪出破坏，结合面产状290°～350°∠25°，按破坏模式属滑移式崩塌；按照体积划分，均小于1.0×104m3，属小型。

2.2 发育特征

2.2.1 B1崩塌

20世纪80～90年代村民在东兰河右岸斜坡坡脚取土，形成长约180m，高37～40m陡直边坡，边坡前缘临空，坡度60°～75°，坡脚受降雨及河水浸泡，造成土体结构破坏进而导致坡体发生崩塌。

坡脚建有某矿山主井延扩建工人宿舍，在强降水条件激发下，2013年8月、2014年7月、2015年5月多次发生失稳变形，崩塌方量100～1500m3不等。2016年8月坡体再次崩塌后，土体从宿舍后墙涌入，造成6间彩钢房废弃，直接经济损失3.5万元，未造成人员伤亡。据村民描述，在某矿山实施巷道建设以来，坡体受震动影响，崩塌频率增高。在村民多次要求下某矿山选煤厂于2017年4月在坡脚处修筑1.5m高浆砌石挡土墙。近期较大一次坡面溜滑发生于2017年10月，土体从坡面滑下，越过挡土墙，堆积于挡土墙外侧。

崩塌所处斜坡坡向351°，坡度65°～70°，崩塌变形层面主要为粉土、粉质粘土结合面，产状351°∠25°～30°。崩塌体主要由第四系上更新统粉土构成，因粉土土质疏松，大孔隙发育，具湿陷性，在地表汇水侵蚀下易崩解变形。崩塌堆积体平面面积约800m2，厚度约4～8m，体积约5000m3，规模等级为小型。

现斜坡坡面上部8～10m陡直，坡面存在拉张裂缝及垂直节理，局部张开2～4cm，延伸长度8～12m，危岩体局部呈伞檐状，下部临空，稳定性差。下部20～29m坡面堆积崩塌物，坡度55°～60°，坡体剖面呈凸形。近期坡面堆积体仍在发生溜滑，在降雨、采煤放炮震动等外因条件影响下可能继续发生变形。

2.2.2 B2崩塌

B2崩塌位于B1崩塌东侧，中间山体存在切蚀沟、负地形。切蚀沟走向近南北向，剖面形态呈阶形、凸形，纵坡降上部12‰，下部达42‰。

该边坡主要形成于20世纪80～90年代村民坡脚取土，造成前缘临空。据村民描述，2017年以前某矿山瓦斯发电厂排污口位于坡脚沟谷上游沟头处，排污口至沟口没有修建排水沟，污水顺沟流出。后经村民要求，排污口改至B2崩塌山体东侧沟谷，并埋设了橡胶排水管道，未做硬化处理。该边坡坡脚受污水及雨水冲刷，土体结构破坏，导致上部坡体失稳发生崩塌。据村民描述，该崩塌主要发育于2016年9月，2017年雨季经常发生局部崩塌，较大一次规模发生在2017年8月。

3 主要影响因素

3.1 地形地貌

崩塌位于屯兰河右岸，地貌类型属黄土中山区，微地貌形态为黄土梁峁。受水流侵蚀，梁峁交错，沟壑纵横，切割较严重。临河谷地带，因取土开挖形成高37～40m，坡度65°～80°，坡向290°～350°边坡，边坡结构为土质，剖面形态呈折线形。边坡具陡直特征，临空条件好；加之坡体上部粉土具湿陷性，受水流侵蚀，边坡稳定性差，发生多次小规模崩塌灾害。

3.2 地层岩性

斜坡岩性由第四系中、上更新统（Qp2、Qp3）黄土组成，具有大孔隙、垂直节理发育。加之人类工程活动开挖边坡，形成卸荷裂隙；坡面土体在干燥的过程中土体收缩易产生垂直节理，另外植物根劈作用产生垂向节理，将土体切割成厚板状、柱状与母体分离，在降水及自重力作用下厚板状、柱状土体发生塌落。黄土中垂直节理、原生古土壤层面及水平层理面、节理面及开挖坡面将土体切割成为不稳定结构体，坡面开挖后缘卸荷裂隙发育，裂隙张开利于地表水下渗，在降水、管道泄漏尾水及重力作用下发生土质崩塌。

3.3 人类工程活动

切坡、建房等人类工程活动加剧了崩塌灾害的危害程度。一方面，开挖高陡边坡破坏了坡体原有应力平衡，使坡体外缘部分向斜坡坡脚的剪切应力和拉张应力增大，产生平行坡面的卸荷垂直裂隙，与原有的垂直节理重合，使其进一步张开、加深、扩大，产生新的裂隙，导致黄土边坡失稳变形加剧。另一方面坡顶建设瓦斯发电厂，在斜坡顶部加载以及道路上车辆动荷载加载，使斜坡土体承载的压力增大，改变了原始斜坡应力平衡状态，增加了斜坡发生崩塌的可能性。

3.4 大气降水

边坡坡体位于地下水水位之上，天然条件下浅层粉土处于干燥状态，深部粉土稍湿。在雨季，大气降水一部分渗入地下，形成地下水；一部分通过地表径流的方式对坡面进行冲刷。由于黄土的垂直节理发育，具有大孔隙结构，透水性好，有利于大气降水入渗，降水通过裂隙由地表垂直入渗到地下，入渗系数可达5%～10%，在雨季降水时间较长，降水强度较大时，地表水从浅部渗入深部，可数米至数十米。由于随着深度增加，土体颗粒变得密实，土的孔隙率变小，水的渗透系数变小，渗流速率变慢，下部粉质粘土夹层透水性差，成为相对隔水层。地下水聚集，滞留于粉质粘土上部，往往形成由坡内向坡外的浸润面，土体处于饱和状态，此时，地下水流向由垂向逐渐变为由坡内向坡外倾斜。土体接受大气降水后，工程地质性质发生较大的变化，土体重度增大，其粘聚力（C）及内摩擦角（φ）降低，即土体抗剪强度下降。尤其是浅部具大孔隙结构的粉土，由于其孔隙率较大，降水入渗后其重度明显增加，在重力作用下，斜坡土体沿软弱结构面发生剪切破坏，从而发生崩塌灾害。

3.5 废水排放

废水排放，侵蚀土体，也是崩塌形成的重要因素。区内6处落水洞主要沿废水排放通道分布，上游侵蚀严重，下游稍轻。2017年以前矿山瓦斯发电厂排污口位于B1崩塌东侧沟谷上游沟头处，排污口至沟口没有修建排水沟，污水顺沟流出。后经村民要求，排污口改至B2崩塌东侧沟谷，并埋设了橡胶排水管道，未做硬化处理。该边坡坡脚受污水及雨水冲刷，上部湿陷性黄土遇水崩解，土体结构破坏，土体抗剪强度显著降低，导致上部坡体失稳发生崩塌灾害。

4 破坏方式与形成机制分析

因崩塌后缘存在与边坡坡向一致的陡倾贯通或断续贯通的破坏面，危岩外缘临空，潜在崩塌体沿破坏面滑移或沿软弱土体不利方向剪出塌落造成破坏，故判断崩塌破坏方式为滑移式。黄土崩塌形成机制主要包括以下几个阶段。

4.1 累进破坏阶段

在降水、震动条件下，土体内部沿节理、裂隙结构面发生变形。随着拉裂变形的持续发展，裂面可扩展至地面，斜坡上的土体随着应力释放，发展到土体松动，并伴有轻微的移动、错位，但仍处于稳定状态。

4.2 滑移面贯通阶段

随着风化、震动、降雨等作用，变形进入滑移面贯通阶段，坡内含有较弱结构面，可使土体中拉应力区和可能的破坏明显增加。临空条件好的一侧的土体与母岩逐渐被拉开，与滑移相伴的压力致拉裂面与地面贯通。

4.3 滑移—拉裂阶段

随着变形的继续扩展，变形的土体开始明显转动和位移，陡倾的裂面成为剪切应力集中带，陡缓转角处的嵌合体被剪断。当滑移面向临空方向倾角，足以使上部土体的下滑力超过该面的实际抗剪阻力时，斜坡土体沿下浮软弱结构面向坡前临空方向滑移，并使滑移体拉裂解体，土体导致破坏形成崩塌。

5 参数选取与稳定性分析

5.1 定性分析

该段斜坡稳定性差，发育两处土质崩塌。边坡具二元结构，上部粉土具大孔隙，垂直节理发育，具湿陷性，工程力学性质较差，在降水、震动条件激发下，易发生失稳变形。边坡坡形因发生崩塌坡体上陡下缓，上部8～12m陡直，垂直节理裂隙发育，因卸荷拉张裂隙局部张开3～15cm。节理裂隙降低了土体强度，破坏了土颗粒之间联系力，坡体临空面抗滑、抗倾覆力降低。崩塌体堆积斜坡坡面中下部及坡脚，坡面土体松散、破碎，仍存在进一步位移变形可能。综上，斜坡后缘临空部分处于不稳定状态，仍存在进一步崩塌变形破坏可能。

5.2 定量分析

按照崩塌失稳变形运动方式，选用滑移式危岩体的模式进行计算评价。

5.2.1 计算示意图

计算原理见图1。

图1 滑移式崩塌稳定性计算示意图

5.2.2 计算参数选取

根据原状土样试验资料，粉土天然重度取13.2～14.9kN/m3，饱和重度取17.4～18kN/m3；粉质粘土天然重度取17.5～20.4kN/m3，饱和重度取19.5～20.9kN/m3。抗剪强度为：粉土粘聚力17.4～18kPa，内摩擦角取18°～20°；粉质粘土粘聚力29～31kPa，内摩擦角取25°～30°。对于降雨影响采用降雨工况的下的C、φ值和重度确定，见表1。几何形状参数主要包括土体重心、面积及与基座接触面倾角等，从计算剖面中量取。

表1 边坡稳定性计算土体参数取值表

5.2.3 计算工况

取三种工况进行计算分析：

（1）天然状态（自重）；

（2）暴雨状态(饱和自重+裂隙水压力)；

（3）地震状态（自重+裂隙水压力+地震力）。

5.2.4 计算结果

采用理正岩土软件6.0中的边坡稳定性分析模块，直线滑动法计算边坡的稳定性，计算参数取值见表1，选取B1、B2崩塌纵断面，对潜在崩塌体在工况一（自重）、工况二（自重+暴雨）、工况三（自重+暴雨+地震）三种工况下分别进行稳定性计算，边坡稳定性计算成果见表2。依据《滑坡防治工程勘查规范》(DZ/T0218-2006)中危岩体稳定程度等级划分见表3，由计算结果可知目前该段斜坡工况一处于欠稳定状态，工况二、工况三处于不稳定状态。

表2 边坡稳定性计算成果表

表3 危岩稳定性程度划分表

6 结论

B1、B2两处崩塌均属黄土、滑移式崩塌，规模等级属小型，崩塌体主要由第四系中、上更新统粉土、粉质粘土组成，处于欠稳定状态。主要对上部电力、通讯设施；下部临时建筑、机械设备构成威胁，威胁总资产达1400万元。危害程度中等，地质灾害发育程度强，危险性大。

以天然工况和暴雨工况为设计工况，地震工况为校核工况。经过稳定性验算，推荐防治工程稳定性验算土体参数选取值。粉土：天然状态C=17.57kPa，φ=21.10°；饱和状态C=10.13kPa，φ=9.25°；天然密度取其平均值ρ0=1.56g/cm3，湿陷性中等（湿陷系数δs=0.042）。粉质粘土：天然状态C=28.24kPa，φ=17.97°；饱和状态C=27.57kPa，φ=10.10°；天然密度取其平均值ρ0=1.94g/cm3；地震水平系数取0.12。